(57)【要約】  本開示は、マイクロまたはナノスケールビーム強度プロファイルを有するマイクロビームのアレイを用いて対象物のマイクロまたはナノスケール領域を選択的に照射する、Ｘ線顕微鏡検査のためのシステムを示す。アレイ検出器を、この検出器の各画素が１本のマイクロビームに対応するＸ線のみを検出するように配置することにより、Ｘ線検出器から発生した信号を、照射された特定の限定されたマイクロまたはナノスケール領域で識別できるようにする。よって、より大きなサイズおよびスケールを有する画素を含む検出器を用いる一方で、マイクロまたはナノスケールの対象物のサンプリングされた透過画像を生成することができる。このため、量子効率がより高い検出器を使用することができる。なぜなら、横方向解像度がマイクロまたはナノビームの寸法のみによって与えられるからである。マイクロまたはナノスケールのビームは、アレイＸ線源または一組のタルボ干渉フリンジを用いて生成することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物をＸ線で検査する方法であって、
共通のＸ線源から伝播するＸ線マイクロビームの周期的アレイを予め定められた領域に作製するステップを含み、前記予め定められた領域の中の各Ｘ線マイクロビームは、前記共通のＸ線源を通る軸を有し、さらに、前記マイクロビームの軸に沿うＸ線強度と、前記マイクロビームの軸から垂直方向に測定した前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイの周期の２分の１に等しい距離におけるＸ線強度とのコントラストが、１０％よりも大きく、
Ｘ線画素アレイ検出器システムを、前記検出器のＸ線センサが前記予め定められた領域の中に位置するように、かつ、１本以下のＸ線マイクロビームに対応するＸ線を各画素が検出するように前記検出器の画素を整列させるように、位置決めするステップと、
対象物を前記Ｘ線アレイ検出器の前に配置し、検査する前記対象物の一部を前記予め定められた領域の中に位置決めするステップと、
前記対象物の前記一部を、前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイで照射するステップと、
前記Ｘ線アレイ検出器が生成した信号を記録するステップとを含む、方法。
【請求項２】
前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイは、タルボ干渉パターンを形成するタルボ干渉現象を通して作製され、
前記Ｘ線マイクロビームは、前記タルボ干渉パターンの強め合う干渉部分のアレイに対応する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記予め定められた領域の中に前記Ｘ線マイクロビームの予め定められたサブセットのみを透過させる周期的透過部分を有する吸収マスキング部品を位置決めするステップをさらに含み、
両方の横方向において前記透過部分の周期は、正の整数Ｎで乗算した前記タルボ干渉パターンの周期に等しく、前記方法はさらに、
前記吸収マスキング部品を、Ｎ番目までのマイクロビームごとに前記透過部分が中心になるように整列させるステップを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記Ｘ線マイクロビームの予め定められたサブセットのみを透過させるように位置決めされた透過部分を有する吸収マスキング部品を、前記予め定められた領域の中に配置するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記透過部分の横方向寸法は、前記予め定められた領域内の前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイの周期の４分の３未満である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
２つ以上の画素が、同一のＸ線マイクロビームに対応するＸ線を検出するように、前記Ｘ線画素アレイ検出器システムを位置決めするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記信号は、前記対象物を通る前記Ｘ線マイクロビームの透過率に対応する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記信号は、前記Ｘ線マイクロビームと前記対象物との相互作用現象に対応し、前記相互作用現象は、吸収、屈折、Ｘ線蛍光、および小角度散乱からなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記Ｘ線マイクロビームの予め定められたサブセットのみを透過させるように位置決めされた透過部分を有する吸収マスキング部品を、前記予め定められた領域の中に配置するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記Ｘ線画素アレイ検出システムは、Ｘ線を検出し前記Ｘ線に対応する信号を生成するように位置決めされ、信号を生成しないＸ線非アクティブ領域によって隔てられた周期的Ｘ線アクティブ領域を有する第１のＸ線検出器を含み、
前記周期的Ｘ線アクティブ領域の周期は、前記Ｘ線マイクロビームの予め定められたサブセットのみを検出するように選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記Ｘ線非アクティブ領域はＸ線を透過させ、
前記Ｘ線画素アレイ検出システムは、前記第１のＸ線検出器を透過したＸ線を検出するように位置決めされた第２のＸ線検出器をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記予め定められた領域における前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイの周期は、５０マイクロメートル未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記予め定められた領域における前記軸に沿う各Ｘ線マイクロビームの長さは、１ミリメートルよりも長い、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記対象物および前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイの相対位置を、前記Ｘ線マイクロビームのうちの１本のマイクロビームの軸に垂直である少なくとも１つの方向において、一回以上横方向変位させるステップと、
各横方向変位後に、前記Ｘ線アレイ検出器が生成した信号を記録するステップと、
前記記録した信号を用いて２次元画像を生成するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記対象物および前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイの相対位置を横方向変位させるステップは、前記対象物を横方向変位させることによって実行される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記対象物および前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイの相対角度方位を、０．５度以上の角度ずつ、一回以上変更するステップと、
前記相対角度方位の各変更後に、前記Ｘ線アレイ検出器が生成した信号を記録するステップと、
前記記録した信号を用いて３次元画像を生成するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記対象物および前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイの相対角度方位を変更するステップは、前記対象物を回転させることによって実行される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記コントラストは２０％よりも大きい、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記共通Ｘ線源は、Ｘ線生成マイクロ構造体のアレイを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
Ｘ線顕微鏡システムであって、
Ｘ線源と、予め定められた領域の中にＸ線マイクロビームの周期的アレイを形成するための手段とを含む、Ｘ線照射ビーム生成システムと、
検査の対象物の少なくとも一部を前記予め定められた領域の中に位置決めするための手段と、
前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイと前記対象物との相互作用から発生したＸ線を検出するように位置決めされ、前記検出したＸ線に対応する少なくとも１つの信号を生成する、少なくとも１つのＸ線画素アレイ検出器とを備え、前記検出器は、前記検出器のいずれか１つの画素によって検出されたＸ線が、前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイの中の前記Ｘ線マイクロビームのうちの少なくとも１つに対応するように、整列させたものである、Ｘ線顕微鏡システム。
【請求項２１】
前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイを形成するための手段は、前記Ｘ線の帯域幅を制限するための手段をさらに含む、請求項２０に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項２２】
前記Ｘ線の帯域幅を制限するための手段は、平均エネルギＥ０と、Ｅ０±１５％以内のエネルギ帯域幅とを有するＸ線スペクトルを生成する、請求項２１に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項２３】
前記Ｘ線の帯域幅を制限するための手段は、Ｘ線フィルタである、請求項２１に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項２４】
前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイを形成するための手段は、タルボ干渉パターンを生成する格子構造を含み、
前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイは、前記タルボ干渉パターンのＸ線アンチノードに対応し、
前記予め定められた領域は、前記タルボアンチノードと近隣のタルボノードとの間のコントラストが１０％よりも大きい領域に対応する、請求項２０に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項２５】
前記検査の対象物および前記Ｘ線画素アレイ検出器の前記センサは、いずれも、前記予め定められた領域の中に位置決めされる、請求項２４に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項２６】
前記マウントは、直交する２つの方向において前記対象物が移動することを可能にし、
前記予め定められた領域の中で前記対象物を回転させるための手段をさらに備える、請求項２４に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項２７】
タルボ干渉パターンを生成するための前記格子構造は、吸収格子、π／２位相シフト格子、π位相シフト格子、格子構造の１次元アレイ、格子構造の２次元アレイ、グリッド構造、および、チェッカー盤位相格子構造のうちの１つ以上を含む、請求項２４に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項２８】
前記格子構造の寸法は、前記タルボ干渉パターンの周期が５０マイクロメートル未満になるように選択される、請求項２４に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項２９】
予め定められた数の前記Ｘ線照射ビームをブロックするように位置決めされたマスクをさらに備える、請求項２０に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項３０】
前記Ｘ線画素アレイ検出器は、エネルギ分解画素アレイ検出器である、請求項２０に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項３１】
前記Ｘ線信号を解析するためのデータ収集解析システムをさらに備える、請求項２０に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項３２】
前記Ｘ線源は、
真空チャンバと、
電子ビームのエミッタと、
電子ターゲットとを含み、
前記電子ターゲットは、
第１の選択材料を含む基板と、
前記基板に埋め込まれた、Ｘ線生成特性に対して選択された第２の材料を含む、少なくとも複数の離散構造体とを含む、請求項２０に記載のＸ線顕微鏡システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本特許出願は、２０１５年６月５日に出願され「X-RAY TECHNIQUES USING STRUCTURED ILLUMINATION」と題された米国仮特許出願第６２／１７１，３７７号および２０１６年５月３１日に出願され「X-RAY MICRODIFFRACTION WITH STRUCTURED ILLUMINATION FOR STRAIN MEASUREMENT IN NANOELECTRONICS」と題された米国仮特許出願第６２／３４３，５９４号の利益を主張する、２０１６年６月５日に出願され「X-RAY TECHNIQUES USING STRUCTURED ILLUMINATION」と題された米国特許出願第１５／１７３，７１１号の、一部継続出願であり、これらすべての出願の全体を本明細書に引用により援用する。
【０００２】
加えて、出願第１５／１７３，７１１号は、それらの全体を本明細書に引用により援用する２０１５年４月２９日に出願され「X-RAY INTERFEROMETRIC IMAGING SYSTEM」と題された米国特許出願第１４／７００，１３７号の一部継続出願である２０１５年５月１５日に出願され「X-RAY METHOD FOR MEASUREMENT, CHARACTERIZATION, AND ANALYSIS OF PERIODIC STRUCTURES」と題された米国特許出願第１４／７１２，９１７号の、一部継続出願である。
【０００３】
加えて、本願は、２０１６年９月２８日に出願され「X-RAY MEASUREMENT TECHNIQUES USING MULTIPLE MICRO-BEAMS」と題された米国仮特許出願第６２／４０１，１６４号、２０１６年１２月２日に出願され「METHOD FOR TALBOT X-RAY MICROSCOPY」と題された米国仮特許出願第６２／４２９，５８７号、２０１６年１２月３日に出願され「MATERIAL MEASUREMENT TECHNIQUES USING MULTIPLE X-RAY MICRO-BEAMS」と題された米国仮特許出願第６２／４２９，７６０号、および２０１７年４月１５日に出願され「TALBOT X-RAY MICROSCOPE」と題された米国仮特許出願第６２／４８５，９１６号の利益を主張し、これらすべての出願の全体を本明細書に引用により援用する。
【０００４】
発明の分野
本明細書に開示する発明の実施形態は、Ｘ線を使用する顕微鏡検査システムに関し、具体的には、周期的マイクロビームのシステムを用いて対象物を照射することによりこの対象物の各種構造的および化学的特性を求める、測定、特徴付け、および解析システムに関する。
【背景技術】
【０００５】
発明の背景
結像光学系を利用する従来のＸ線顕微鏡は、一般的に、Ｘ線光学系（たとえばゾーンプレート）の分解能および／または検出器の画素サイズの分解能によって制限される。投影系システムの場合、分解能は、Ｘ線源のサイズおよび検出器の有限画素サイズによって制限される。ゾーンプレートを利用する市販のＸ線顕微鏡システムの中には、分解能が１００ｎｍ未満のものがあるが、このようなシステムの視野は大幅に制限されている。投影系Ｘ線顕微鏡は、確かに１ミクロンよりも高い分解能とともに適度な視野を提供するが、適度な信号対雑音比を得るのに要する時間は非常に長くなる傾向があるため、この技術は多くの用途において実用的ではない。このため、分解能が１ミクロンよりも小さくかつ視野が大きいＸ線顕微鏡検査において、この技術を実用化するためにインテグレーションタイム（integration time）を十分に短くして画像を生成するのは難しい。
【０００６】
したがって、高い分解能および大きな視野双方を提供することができる高分解能顕微鏡検査システムが必要である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の簡単な概要
本開示は、マイクロまたはナノスケールビーム強度プロファイルを有するマイクロビームのアレイを用いて対象物のマイクロまたはナノスケール領域を選択的に照射する、Ｘ線顕微鏡検査のためのシステムを示す。アレイ検出器を、この検出器の各画素が１本のマイクロビームに対応するＸ線のみを検出するように配置することにより、Ｘ線検出器から発生した信号を、照射された特定の限定されたマイクロまたはナノスケール領域で識別できるようにする。したがって、マイクロまたはナノスケールの検査対象物の透過画像を、サイズおよびスケールが大きい画素を有する検出器を用いて生成することができる。
【０００８】
いくつかの実施形態において、マイクロまたはナノスケールビームは、空間を伝播する一組の微細なＸ線マイクロビームを生成することができる一組のタルボ（Talbot）干渉フリンジを作製することにより、提供することができる。いくつかの実施形態において、マイクロまたはナノビームのアレイは、従来のＸ線源とＸ線結像素子（たとえばＸ線レンズ）のアレイとによって提供することができる。
【０００９】
いくつかの実施形態において、検出器および対象物双方を、一組のタルボアンチノードの、定められた同一の「焦点深度（depth-of-focus）」（ＤＯＦ）範囲の中に配置する。いくつかの実施形態では、Ｘ線ビームの伝播方向に垂直なＸ方向およびＹ方向の移動が可能なマウント上に対象物を配置することにより、「スキャンされた」微視的スケールの透過画像を組み立てることができる。いくつかの実施形態では、Ｘ線ビーム伝播方向に対して所定の角度の軸を中心とする回転が可能なマウント上に対象物を配置することにより、ラミノグラフィーまたはトモグラフィーによる画層再構成に使用するデータを微視的スケールで収集することができる。
【００１０】
いくつかの実施形態において、さらにマスキング層をビーム径路に挿入することにより、選択された数のマイクロビームを遮断して、残りのマイクロビームに対して画素サイズが大きい低コストの検出器を使用してもよい。いくつかの実施形態において、マスキング層を用いることで、残りのマイクロビームに対して検出効率がより高い検出器を使用することもできる。そのようなマスキング層は、検査対象物と検出器との間において検査対象物の前に配置する、または検出器構造そのものの一部として設計してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】本発明のいくつかの実施形態において使用し得るマイクロビームのアレイを提供するＸ線結像系の概略図を示す。
【図１Ｂ】図１ＡのＸ線結像系の断面図を示す。
【図２】本発明のある実施形態においてマイクロビームのアレイとして使用される、１：１デューディサイクル吸収格子Ｇからのタルボ干渉フリンジパターンの使用を説明する図である。
【図３Ａ】本発明のいくつかの実施形態で使用されるマイクロビーム、対象物、および検出器の概略図を示す。
【図３Ｂ】図３Ａの実施形態のマイクロビーム、対象物、および検出器の概略断面図を示す。
【図３Ｃ】図３Ａおよび図３Ｂの実施形態の変形におけるマイクロビーム、対象物、および検出器の概略断面図を示し、検出器アレイの一部はアクティブ素子であり、その他の部分は非アクティブである。
【図４】ビーム分割格子Ｇ１を用いてタルボ干渉フリンジからマイクロビームを生成する顕微鏡システムの概略図を示す。
【図５】本発明のいくつかの実施形態で使用される特定のビーム分割格子を用いて形成し得るマイクロビーム強度パターンの断面を示す。
【図６Ａ】本発明のいくつかの実施形態で使用し得る一対の位相シフト格子の図を示す。
【図６Ｂ】図６Ａの一対の位相シフト格子によって生成される有効位相シフトを示す。
【図７】本発明のいくつかの実施形態で使用し得る位相シフト格子の図を示す。
【図８】検査されている対象物の前に配置されたマスクを有する本発明の実施形態に係る顕微鏡の概略図を示す。
【図９Ａ】図８の実施形態のマイクロビーム、対象物、および検出器の概略図を示す。
【図９Ｂ】図８の実施形態のマイクロビーム、対象物、および検出器の概略断面図を示す。
【図１０】シンチレータ検出器を含む実施形態のマイクロビーム、対象物、および検出器の概略断面図を示す。
【図１１】シンチレータおよびシンチレータ結像系を含む実施形態のマイクロビーム、対象物、および検出器の概略断面図を示す。
【図１２】検査中の対象物と検出器との間に配置されたマスクを有する本発明の実施形態に係る顕微鏡の概略図を示す。
【図１３Ａ】図１２の実施形態のマイクロビーム、対象物、および検出器の概略図を示す。
【図１３Ｂ】図１２の実施形態のマイクロビーム、対象物、および検出器の概略断面図を示す。
【図１４】検出器およびシンチレータにおいてマスクを含む実施形態のマイクロビーム、対象物、および検出器の概略断面図を示す。
【図１５】検出器およびシンチレータならびにシンチレータ結像系においてマスクを含む実施形態のマイクロビーム、対象物、および検出器の概略断面図を示す。
【図１６】複数の検出器を含む実施形態のマイクロビーム、対象物、および検出器の概略断面図を示す。
【図１７Ａ】本発明の実施形態に係る顕微鏡検査データを収集する方法のステップの一部を示す。
【図１７Ｂ】本発明の実施形態に係る顕微鏡検査データを収集するための図１７Ａの方法のステップの続きを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
注：本願において開示する図面のイラストレーションは、本発明の原理およびその機能を説明することのみを意図しているのであって、正確な縮尺ではない。各種実施形態の構成要素の寸法（たとえばＸ線源寸法ａ、格子周期ｐ０、ｐ１、ｐ２等）およびそれらの関係に関する具体的詳細事項については、明細書の本文の説明を参照されたい。
【００１３】
発明の実施形態の詳細な説明
１．マイクロビームのアレイによる結像
図１Ａは、マイクロビームのアレイの形成を含む本発明の簡単な実施形態を示す。アレイ光源００４は電子エミッタ０１１を含み、電子エミッタ０１１が生成した電子１１１が、Ｘ線生成材料構造体７０４を含む領域１００１を有するターゲット１０００に衝撃を与える。この図面では、Ｘ線のサブソースである４つの材料構造体７０４がアレイ形式で配列されたものが示されているが、ターゲットに含まれるソースポイントの数は何個であってもよく、これらのソースポイントのうち何個のソースポイントが使用されてもよい。
【００１４】
４つのＸ線生成材料構造体７０４は、電子１１１から衝撃が与えられると、ターゲットから離れる方向に伝播するＸ線８８８を生成する。示されている実施形態において、これらのＸ線８８８はＸ線光学系３３００に入り、Ｘ線光学系３３００は、波形を集束Ｘ線８８８−Ｆに変換する。集束Ｘ線８８８Ｆは、空間における予め定められた領域２００１にＸ線アレイ領域１００１の画像を形成する。このような光学系は、内部に二次曲面を有する毛細管のような単純なＸ線集束素子であってもよく、または、より複雑な多重素子結像系であってもよい。この場合、Ｘ線ソースポイントは４個なので、画像は４つのスポット２８２−Ｆを有する。各スポットの直径は、元のＸ線生成ソースポイントのサイズおよび光学系３３００の倍率に関係があり、その長さは、一般的にＸ線波長およびＸ線光学系の開口数（ＮＡ）の二乗に関係がある光学系の焦点深度によって定められる。
【００１５】
図１Ｂは、収束するＸ線フィールド８８８−Ｆの断面図を示す。これは、空間の中のこのポイントにおけるマイクロビーム８８８−Ｍの形成を示している。検査対象物２４０−Ｗを空間内のこの位置に配置することにより、マイクロビーム８８８−Ｍは、対象物２４０−Ｗの、空間に画定された特定のポイント２８２−Ｆを照射する。これらのポイントは、マイクロビーム８８８−Ｍの直径を有する。この直径は、元のＸ線ソースポイントの大きさと、Ｘ線波長と、光学系３３００の特性（ＮＡ、倍率）とによって決まる。そのピッチがマイクロビーム８８８−Ｍのピッチに一致しその位置が焦点深度内にある画素２９１を有するＸ線検出器２９０を配置する。よって、各画素によって検出されるＸ線は、１本のマイクロビームのみによって与えられるＸ線である。したがって、生成された信号全体は、大幅に小さい照射スポット２８２−ＦのみのＸ線透過を表す。一例として、マイクロビームの直径が１ミクロンである場合、２５ミクロンもの大きさの検出器画素は、マイクロビーム間のピッチが検出器の画素ピッチ以上であるときに、１ミクロンの直径のスポットのみに関する情報を提供することができる。
【００１６】
このようなシステムは、各マイクロビームのサンプルポイントを表す一組のアレイポイントを、検出器から生成する。用途によっては、対象物のＸ線透過のサンプリングだけで十分である。その他の場合では、対象物およびマイクロビームアレイの相対的な位置をＸ次元およびＹ次元でスキャンすることにより、対象物のスキャン「マップ」を生成する。各データポイントは、より小さなマイクロビームによって生成された情報を表すので、分解能がより低い画素検出器を用いて高分解能画像を得ることができる。構造化照明のためのこのようなスキャン技術については、２０１６年６月５日に出願され「X-RAY TECHNIQUES USING STRUCTURED ILLUMINATION」と題された同時継続中の米国特許出願第１５／１７３，７１１号、および、「X-RAY MEASUREMENT TECHNIQUES USING MULTIPLE MICRO-BEAMS」と題された米国仮特許出願第６２／４０１，１６４号においてさらに記載されており、これらの出願双方の全体を本明細書に引用により援用する。
【００１７】
上記例は、アレイＸ線源および結像光学系を用いてマイクロビームのアレイを形成する１つの方法を示している。このような手法は、原理の説明には役立つが、Ｘ線光学系の視野によって制限され、本発明の各種実施形態は、対象物を照射するために使用されるマイクロまたはナノスケールのＸ線ビームのアレイを生成する任意の数の技術を使用することができる。
【００１８】
２．マイクロビームのアレイとしてのタルボフリンジ
タルボ干渉フリンジは、Ｘ線を有効なマイクロビームアレイにする極めて効率的な方法となり得る。タルボアンチノード（一般的には強め合う干渉（constructive interference）の領域と定義される）の有効横寸法は、フリンジを形成する適切なビーム分割格子を用いることにより、２０ｎｍという非常に小さな寸法にすることができ、一方、タルボ干渉パターンの全体の干渉フィールドは、数平方センチメートルの領域をカバーすることができる。タルボ干渉パターンは、透過の調査対象物の照射に使用されたときに、アレイ検出器を用いて検出し解析することができる離散マイクロまたはナノプローブのアレイを提供する。
【００１９】
結像系に関して先に説明したように、タルボフリンジのピッチに対応する画素サイズを有する検出器を選択し対象物と検出器双方をタルボフリンジの有効「焦点深度」内に配置した場合、各画素は、マイクロビームのうちの１本のマイクロビームからの透過Ｘ線を検出する。そうすることにより、照射スポットサイズと画素寸法とを切り離すという利点が得られ、タルボ干渉現象により、有効マイクロビームのアレイを大きな領域の上に形成することができる。
【００２０】
構造化Ｘ線源を用いたタルボ干渉フリンジは、本願の発明者による他の特許出願の主題となっている。上記特許出願は、ＵＳ１４／５２７，５２３、ＵＳ１４／７００，１３７、１４／７１２，９１７、ＵＳ１４／９４３，４４５、および１５／１７３，７１１を含み、これらすべてを本明細書に引用により援用する。
【００２１】
タルボ干渉は低分解能の結像に使用されてきた。タルボ干渉は特にしばらくの間は位相差結像（phase contrast imaging）に使用されてきた（例として、Atsushi Momose, Wataru Yashiro, and Yoshihiro Takeda “X-Ray Phase Imaging with Talbot Interferometry”, in Biomedical Mathematics: Promising Directions in Imaging, Therapy Planning, and Inverse Problems, Y. Censor, M. Jiang and G. Wang, Editors, (Medical Physics Publishing, Madison, WI, 2009), pp. 281-320およびその中の引用文献参照）。このようなシステムは一般的に、回折格子（位相シフト格子であることが多い）を用いることにより、タルボ干渉パターンを生成し、その後、得られたパターンを第２の格子および／またはアレイＸ線検出器で解析する。
【００２２】
図２は、平面波で照射されたときに、デューティサイクルが５０／５０でピッチがｐの吸収格子Ｇが生成する代表的なタルボ干渉パターンの断面を示す。この図面におけるフリンジは、「Phase Contrast Imaging」（Elements of Modern X-ray Physics, Second Edition, Jens Als-Nielsen & Des McMorrow (John Wiley & Sons Ltd, Chichester, West Sussex, UK 2011)）のセクション９．３の図１９（ａ）から取ったものである。これは、専ら例示を目的として示されており、この特定の図の使用によって本発明の範囲を制限または限定することを意味する訳ではない。
【００２３】
図２に示すように、干渉フリンジは吸収格子の後方に生成される。ピッチがｐでデューティサイクルが５０／５０である格子の自己像が、下記の式によって与えられるタルボ距離ＤＴに発生する。
【００２４】
【数１】
2019523871.tif 000003
【００２５】
式中、ｐはビーム分割格子の周期、ｎは整数、λはＸ線波長である。弱め合う干渉（destructive interference）が発生している暗い領域は、一般的に干渉パターンの「ノード」と呼ばれるのに対し、強め合う干渉による明るい領域は、一般的に干渉パターンの「アンチノード」と呼ばれる。
【００２６】
Ｘ線発光体としてのタルボ干渉パターンは、ミクロンのスケールの特徴を有するビーム分割格子を適切に選択すると、明るいアンチノードの干渉パターンを、アンチノード寸法として対応するミクロンのスケールで生成することができる。Ｘ線のエネルギが２４．８ｋｅＶで波長がλ＝０．０５ｎｍ、吸収格子のデューティサイクルが５０／５０でピッチが１ミクロンの場合、第１の（ｎ＝１）タルボ距離はＤＴ＝４ｃｍである。したがって、図２のフリンジのＸ方向およびＹ方向のスケールは全く異なっている。示されている伝播方向に垂直な寸法はミクロンのスケールであるが、伝播方向に沿う寸法はセンチメートルのスケールである。
【００２７】
分数のさまざまなタルボ距離におけるフリンジパターンは、明るいフリンジと暗いフリンジで反転しており、分数のさまざまなタルボ距離における明るい（アンチノード）フリンジのサイズは事実上元の格子特徴のサイズよりも小さくすることができる。これらのアンチノードはしたがって、対象物の照射に使用される複数のマイクロビームとして機能する。
【００２８】
タルボ干渉現象を利用する場合、タルボ干渉パターンの中には、明るいフリンジが特定強度のマイクロビームプロファイルを維持している特定の所定領域がある。このような領域（そのうちのいくつかは図２の例において見ることができる）は、より従来的な結像系の「焦点深度」範囲に匹敵し、アレイとして配置されたタルボパターンの場合、これらの対応する所定領域は、マイクロビームのアレイを形成するであろう。「焦点深度」領域も、タルボ距離ＤＴとの関係で定義することができる。たとえば、図２において、マイクロビームを形成するアンチノードの領域は、およそ１／１６ＤＴの長さを有する領域として示されている。対象物２４０−Ｗと、画素２９１を有する検出器２９０とを、この所定のアンチノード領域に配置することにより、より大きな画素２９１からの信号は、アンチノードが対象物を照射しているより小さな領域２８２の透過を表すことができる。
【００２９】
図２のパターンは、非発散タルボ干渉パターンを表しているが、いくつかの実施形態において、タルボパターンは共通のＸ線源から発散したＸ線を含むであろう。
【００３０】
多くの実施形態において、タルボパターンを形成するために使用するビーム分割回折格子は、低吸収であるがπ／２もしくはπラジアン、またはπ／２の整数倍等のその他何らかの特定もしくは所定の値のＸ線位相差を生み出す位相格子であってもよい。これらの格子も一次元または二次元の格子パターンを含み得る。
【００３１】
先に述べたように、ビーム分割格子の寸法に応じて、これらのプローブサイズは、適切な微細ビーム分割格子を適宜選択した場合、２０ｎｍという小さなプローブサイズにすることができる。上記同時継続出願であるＵＳ特許出願およびＵＳ仮特許出願と同様、対象物をＸ次元およびＹ次元でスキャンすることにより、マイクロまたはナノスケールのプローブビームを対象物の上で動かして、対象物の透過の完全な高解像度「マップ」を、比較的低分解能の検出器で得ることができる。
【００３２】
いずれかのマイクロビーム形成システムに対して使用し得る実施形態の概略図が図３Ａおよび図３Ｂに示される。ピッチがｐｗであるマイクロビーム８８８−Ｍのアレイが形成された場合、検査対象物２４０は、これもピッチがｐｗである離散相互作用位置２８２のアレイで照射される。示されているように、Ｘ線ビームのピッチはＸ次元とＹ次元で同一でありｐｗに等しいが、Ｘ次元のピッチとＹ次元のピッチが異なるその他の実施形態も使用し得る。ピッチの違いは、タルボパターンの発散特性によるものでもある。図３Ｃは検出器２９０−Ａの使用を示しており、この検出器におけるアクティブ画素２９１−Ｐおよび非アクティブ領域２９１−Ａ双方が、検出のために特定のマイクロビームのみを選択するために存在している。
【００３３】
位置コントローラ２４５を用いて、マイクロビームの伝播方向に対して垂直なＸ次元およびＹ次元において対象物の位置をスキャンすることができ、マイクロビームと対象物との相互作用によって発生した透過Ｘ線８８８−Ｔを、アレイ検出器２９０で検出することができる。
【００３４】
この実施形態において、アレイ検出器２９０はピッチｐ３を有する。この例において、ピッチｐ３はｐｗにも等しい。このことは、アレイ検出器の各画素が、１本のマイクロビームに対応するＸ線のみを収集する位置に置かれるように、この検出器を位置合わせしていることを意味する。複数のマイクロビームの使用と、マイクロビームのピッチに一致する画素ピッチを有し、対象物上の所与の位置における１本のマイクロビームの相互作用のみからのＸ線を各画素が検出するように位置合わせした検出器とを組み合わせることによって、１０２〜１０４平行マイクロビーム検出システムを作製することができる。各画素が検出するすべての透過Ｘ線のソースが１本のマイクロビームである限り、複数の画素が１本のマイクロビームのＸ線を検出する、画素がより小さなその他の検出器を使用することもできる。
【００３５】
先に述べたように、その後、対象物をＸ座標およびＹ座標でスキャンする。これにより、対象物の特性に対応する「マップ」が生成されるが、動きの範囲は、マイクロビームのピッチに対応する縮小のみが可能である（しかしながらスキャン領域間のいくらかの重なりは相対較正には適切な場合がある）。
【００３６】
次に、各画素によって生成された「マップ」をデジタルで連結する（stitching）ことにより、対象物の特性の大規模な「マクロマップ」を作り、その一方で、対応するデータ収集時間を、マイクロビームの数に関連する数値（たとえば最大で１０４）分の１まで、短縮することができる。
【００３７】
一定のトモグラフィー解析を実現するために、対象物の対象領域とＸ線との相互作用および対応する検出器画素がどちらも、複数のマイクロビームすべての焦点深度によって画定される領域の中にある限りにおいて、対象物の限定された角度調整も追加することができる。この目的を達成するための回転ステージ２４８も、図３Ａの対象物２４０用のマウントの一部として示されている。いくつかの実施形態において、５軸マウントまたはゴニオメータを用いて、同一のマウントシステムから移動および回転を行うことができる。いくつかの実施形態において、対象物は静止したままであり、タルボフリンジを形成する機構を（位置合わせした検出器とともに）、対象物に対して移動または回転させることができる。
【００３８】
周期的なタルボパターンは、先に引用した文献および特許出願に記載されている手段のうちのいずれによっても形成することができるが、より大きなＸ線パワーを可能にする上記新方式は、周期的パターンＡ０に従ってパターニングされたＸ線源を使用する。図４は、図３Ａおよび図３Ｂに示す構成を有する実施形態を示しているが、Ｘ線マイクロビームアレイ８８８−Ｍは、このような周期的Ｘ線源を用いて形成されてタルボ干渉パターンを生成する。
【００３９】
示されているこの構成において、Ｘ線源００２は電子ビーム１１１を含む。電子ビーム１１１はＸ線ターゲット１００に衝撃を与える。Ｘ線ターゲット１００は領域１００１を含み、領域１００１は構造体７００を含む。構造体７００は、基板１０００に埋め込まれたＸ線生成材料を含む。示されている構造体７００は、周期ｐ０の周期的２次元パターンで配置されたサイズａの一様な要素である。電子１１１によって衝撃が与えられると、これらの構造体は、周期ｐ０の周期的パターンでＸ線８８８を生成する。
【００４０】
Ｘ線生成材料を含む構造体７００は、複数の離散的微細マイクロ構造体を含み得る。Ｘ線生成構造体は、一般的に、１次元または２次元の周期的パターンで配置することができる。このような構造体ターゲットを用いるＸ線源は、米国特許出願「X-RAY SOURCES USING LINEAR ACCUMULATION」（２０１４年９月１９日出願の米国特許出願第１４／４９０，６７２号、現在は米国特許第９，３９０，８８１号）、「X-RAY SOURCES USING LINEAR ACCUMULATION」（２０１６年４月１日出願の米国特許出願第１４／９９９，１４７号）、および「DIVERGING X-RAY SOURCES USING LINEAR ACCUMULATION」（２０１６年５月２７日出願の米国特許出願第１５／１６６，２７４号）においてより詳細に記載されている。これらすべての全体を、これらの特許および同時継続中の特許出願が利益を主張する根拠である仮出願とともに、本明細書に引用により援用する。
【００４１】
図４には、Ｘ線源の典型的な要素として、電子ビームエミッタ０１１とターゲット１００との間に電気リード０２１および０２２を通して加速電圧を与える高電圧源０１０も示されている。図示されている検出器２９０は、ｐｗに等しい周期ｐ３のアレイＧＤを有し、実際、各マイクロビームは、１つの検出器画素によって固有に検出される。しかしながら、先に述べたように、検出器２９０を、各検出器画素が単一のマイクロビームのみからのＸ線に対応するように、位置合わせする。これを容易に実現するために、検出器は、検出器画素を個々のマイクロビームに対して整列させるための位置決めコントローラ２５５をさらに有していてもよい。
【００４２】
個々は空間的にコヒーレントであるが相互にインコヒーレントである照射サブソースのアレイとしてのアレイ光源から、Ｘ線８８８が、アレイＸ線光源Ａ０から距離Ｌの場所に配置されたビーム分割格子Ｇ１  ２１０−２Ｄに向けて、発せられる。Ａ０における各Ｘ線サブソースが画像形成プロセスに対して建設的に寄与することを保証するためには、配列の形状が以下の条件を満たさねばならない。
【００４３】
【数２】
2019523871.tif 000004
【００４４】
式中、ｎ／２格子の場合はｑ＝１であり、π格子の場合はｑ＝０．５である。
この構成は、タルボ・ロー干渉計（Talbot-Lau interferometer）と呼ばれ（Franz Pfeiffer et al., “Phase retrieval and differential phase-contrast imaging with low-brilliance X-ray sources”, Nature Physics vol. 2, pp. 258 - 261, 2006参照；２０１１年２月１５日発行のChristian David、Franz PfeifferおよびTimm Weitkampによる米国特許第７，８８９，８３８号にも記載）、均一Ｘ線光源およびマスキングパターンを用いてＸ線光源アレイを作製することを、既に示している。
【００４５】
注目すべき点として、いくつかの実施形態では、寸法がａで周期がｐ０のアレイに配置された特定のポイントから発せられたＸ線のみを通すマスクされた格子および均一Ｘ線材料を用いてアレイＸ線光源を提供することもできる。しかしながら、開示された上記アレイＸ線光源は、このような先行技術のシステムと比較すると多大な利点を有し得る。なぜなら、離散光源を使用することにより、発生したＸ線すべてが画像形成プロセスに寄与するようにすることができるからである。また、アレイＸ線光源は、パターニングされた電子ビームを用いて、Ｘ線生成材料の選択的衝撃を生じさせることによっても提供し得る。このような光源は、本明細書に引用により援用する上記米国特許出願においてより詳細に記載されている。
【００４６】
マイクロビームのＸ線エネルギスペクトルは、Ｘ線帯域幅を制限するＸ線フィルタ（または当業者にとって周知のその他の手段）の使用によって制限され得る。図示の図４のシステムは、このようなフィルタ３８８を用いて、Ｘ線光源００２から発せられたＸ線８８８を、これらのＸ線がビーム分割格子２１０−２Ｄに当たる前に、フィルタリングする。これにより、より良好な干渉コントラストが得られる。いくつかの実施形態では、５ｋｅＶと１００ｋｅＶとの間の平均Ｘ線エネルギＥ０に対し、Ｘ線フィルタを用いて、Ｅ０±１０％またはＥ０±１５％のエネルギ帯域幅を得ることが望ましいであろう。最大強度（通常はマイクロビームの中心）の領域と最も暗い強度（通常はちょうどマイクロビームとマイクロビームの間）の領域との間のコントラストが少なくとも５０％であることが好ましいが、２０％、場合によっては１０％を上回るコントラストで得られた信号は許容できるであろう。
【００４７】
図５は、タルボ干渉フリンジを利用して作製することができる２次元Ｘ線強度パターンの一部のシミュレート例を示す。ビーム分割格子がＸ次元およびＹ次元において一致する周期を有する場合、図５に示すようなパターンを、タルボフリンジのさまざまな「焦点深度」領域で再現することができる。
【００４８】
ビーム分割格子は、任意の数の位相シフトパターンであってもよく、または、いくつかの実施形態では一対の格子を用いて形成してもよい。位相シフタの典型的な組み合わせとして、格子のさまざまな領域において、０、π／２、またはπラジアン位相シフトを使用することが挙げられる。１次元パターンまたは２次元パターンの組み合わせを使用することもできる。
【００４９】
いくつかの実施形態では、２つの１次元格子を作製しこれらを互いに直交させて配置することによってより複雑な２次元パターンを作る方が簡単な場合がある。これらの実施形態については、図４に示す格子Ｇ１を、一緒に配置された一対の格子ＧＡおよびＧＢと置き換えればよい。表Ｉは、このような５０／５０デューティサイクル格子の組み合わせに対して使用できるさまざまな透過率および位相シフトを示す。ｔおよびφの値はそれぞれ、各格子の２つの部分の、透過率および位相シフトを表す。ｔ＝０の格子部分は、吸収透過格子を表し、不透明なセクションの位相シフトは無関係である。
【００５０】
【表１】
2019523871.tif 000005
【００５１】
ＧＡのピッチｐａがＧＢのピッチｐｂと同一であるオプション１（交差させる２つのπ／２位相シフト格子）が図６Ａに示され、格子を交差させた結果が図６Ｂに示される。ｐｘ＝ｐｙ＝ｐａ＝ｐｂである場合、図４の実施形態における位相シフト格子として使用されるこのような交差させた一対の格子は、図５に示されるパターンの形状のアンチノードパターンを形成するであろう。π位相シフトを用いるその他のオプションは、π／２位相シフト格子のピッチの１／２のピッチを有するタルボパターンを生成することができる。
【００５２】
これらの構成のうちのいくつかは、１つの格子を用いて作ることもできる。たとえば、オプション２の交差させたπ位相シフト格子は、０、π、および２π＝０の位相シフトを有する単一のチェッカー盤パターンを形成する。これは、図７に示される単一のπ位相シフトチェッカー盤格子と同一の位相シフトを生成するであろう。これも、図５に示したようなタルボ干渉強度パターンを形成するはずである。同様に、上記特許出願および本願に記載のその他のタルボ文献に記載されている、πまたはπ／２位相シフトおよび／または吸収格子のその他の１次元または２次元周期パターンを使用することもできる。
【００５３】
検査の対象物２４０が周期的パターンのＸ線マイクロビーム８８８−Ｍで照射されることを確実にするために、格子と対象物との間の距離Ｄは、分数のタルボ距離のうちの１つ、すなわち、
【００５４】
【数３】
2019523871.tif 000006
【００５５】
に対応していなければならない。式中、ｎはゼロでない整数である。ｎの好適な値は、格子が吸収格子、π位相シフト格子、またはπ／２位相シフト格子であれば、異なり得る。
【００５６】
より一般的な状況、すなわち発散／拡大フリンジを使用し得る状況において、この距離は次のように一般化することができる。
【００５７】
【数４】
2019523871.tif 000007
【００５８】
タルボ・ローシステムでしばしば使用される別の等式は、アレイ光源におけるＸ線生成要素のサイズａに対するタルボ格子Ｇ１のピッチｐ１に関連がある。
【００５９】
【数５】
2019523871.tif 000008
【００６０】
本発明のほとんどの実施形態は、式２〜５に示される条件が満たされる干渉システムを用いる。
【００６１】
なお、上記これらの実施形態は、タルボ干渉パターンの発散、コリメートまたは収束が、Ｘ線エネルギのような要因、Ｘ線ビームがどれだけ良好にコリメートされたか、および、対象物が配置されている場所がどれだけ光源から離れているか、に応じて、決まるので、正確な縮尺ではないことに注意されたい。
【００６２】
３．検出器についての考察
本明細書において開示されるように、検出器のピッチを複数のタルボフリンジのピッチと一致させて、各画素が、対象物と１本のマイクロビームとの相互作用によって生じたＸ線のみを検出する場所に位置するようにし、近接するマイクロビームを原因とする画素間のクロストークを最小にする。次に、各画素からの異なる信号のさらなるデコンボリューションが不要なことがわかっている状態で、データを収集し、最終的には対象物の特定の「マップ」を再構成することができる。
【００６３】
マイクロビームと画素との間に（たとえば散乱または蛍光を原因とする）クロストークがある場合、適切に較正できるのであれば、画像解析を追加することにより、クロストークの一部を取り除くことができるであろう。エネルギ分解アレイ検出器を用いることにより、透過Ｘ線、屈折Ｘ線、散乱Ｘ線および蛍光Ｘ線から信号を分離することもできる。
【００６４】
この一致は、検出器のピッチとマイクロビームのピッチとが１対１で一致している場合に、すなわち、各ビームが検出器における１つの画素に対応し、検出器が対象物およびマイクロビームの近くに配置されている場合に、最も簡単に実現される。
【００６５】
３．１  検出器ピッチの方が細かい
いくつかの実施形態において、マイクロビームのピッチの整数の分数である検出器ピッチ（たとえば、ピッチが３分の１に減少する場合、それは、各マイクロビームに対応するＸ線を検出するために９個の画素が存在することを示す）を使用することもできる。これは、検出対象のＸ線が何らかの空間構造を有する場合に、たとえば、所望のＸ線信号が、対象物からの小角度散乱に関連する場合に、いくつかの利点を提供し得る。次に、検出器の特定の画素を、散乱したＸ線のみを検出するように整列させる一方で、散乱していないビームを異なる画素によって収集するかまたはブロックされた画素によって単純にブロックすることができる。
【００６６】
３．２  検出器ピッチの方が大きい
その他の実施形態において、マイクロビームのピッチよりも大きい検出器画素を用いることができる。よって、検出器のコストを下げつつ、「高分解能」信号を生成することができる（空間分解能は、検出器の画素サイズではなく、タルボフリンジと対象物との相互作用の量によって決まるため）。
【００６７】
この技術の１つの短所は、検出のために使用されるマイクロビームが４本のマイクロビームのうちの１本のみでありその他のマイクロビームはブロックされる点である。より大きな画素を用いることにより、検出対象のマイクロビームに対してより高い検出効率を得ることができる。
【００６８】
図８〜図１５は、本発明のいくつかの実施形態における、より大きな画素の使用を示す。図８は、図４のシステムに類似するが対象物２４０の前にいくつかの開口２７２を有するマスク２７０を配置して特定数のマイクロビームをブロックするシステムの実施形態の概略図を示す。図示のように、４本のマイクロビーム当たり３本のマイクロビームがブロックされ、４本のマイクロビーム当たり１本のビームのみが対象物を照射した後に検出器によって検出される。このことは、マスクにおけるＸ線ビームのピッチがｐｗであれば、対象物を照射するビームのピッチが２ｐｗであることを意味する。よって、検出器ピッチｐＤは、２ｐｗに等しいピッチに設定することもできる。これは、図４の構成に対して使用したものよりも大きい。図示のように、４本のうち３本のビームがブロックされているが、各種用途の所定のパターンの数に応じていくつかのビームをブロックすればよい。
【００６９】
図９Ａおよび図９Ｂは、このような実施形態をより詳細に示し、図３Ａおよび図３Ｂと同様の図を示す。図３Ａおよび図３Ｂとの比較からわかるように、特定数のマイクロビームのみを使用するので、検出器におけるビームのピッチは実質的により大きく、画素サイズがより大きい、より低コストの検出器２９０−Ｌを使用することができる。
【００７０】
ここまで説明してきたように、Ｘ線検出器は、ダイレクトアレイ検出器として示され、Ｘ線の吸収に応じて電気信号を生成する。いくつかの実施形態は、島津製作所（日本、京都）のＳａｆｉｒｅ  ＦＰＤのような直接フラットパネル検出器（flat panel detector：ＦＰＤ）を使用することができる。いくつかの実施形態は、相補型金属酸化物半導体（complementary metal-oxide semiconductor：ＣＭＯＳ）イメージャを使用してもよい。いくつかの実施形態はエネルギ分解アレイ検出器を使用してもよい。
【００７１】
その他の実施形態において、検出器は、Ｘ線を受けたときに可視光または紫外光を放出するシンチレータを使用してもよい。アクティブＸ線検出領域（検出器センサ）を、たとえば、タリウムでドープされたヨウ化セシウム（ＣｓＩ：Ｔｌ）等のシンチレータを設けることによって、または、高Ｚ材料たとえば金（Ａｕ）のマスキング層を表面に備えるシンチレータの均一コーティングが施された検出器を設けることによって、画定することができる。
【００７２】
図１０は、図９Ｂの実施形態の変形を示すが、検出器２９０−Ｓを蛍光スクリーンまたはシンチレータ２８０と組み合わせて用いている。シンチレータ２８０は、Ｘ線が吸収されると可視および／またはＵＶ光子を放出する材料を含み、検出器２９０−Ｓは、これらの可視および／またはＵＶ光子を検出する。典型的なシンチレータ材料は、タリウムドープＣｓＩ、Ｅｕドープ酸化ルテチウム（Ｌｕ２Ｏ３：Ｅｕ）、イットリウム・アルミニウム・ガーネット(ＹＡＧ）、またはガドリニウムスルホキシレート（ＧＯＳ）の層を含み得る。
【００７３】
シンチレータ効率は、シンチレータが吸収したＸ線の部分およびシンチレータが発する光の量によって決まる。高分解能のためには、シンチレータの内部における光の横方向の拡がりを最小にする必要があり、そうするには薄いシンチレータの使用が必要であることが多く、そうすると、Ｘ線の吸収、ひいては検出効率が制限される可能性がある。
【００７４】
従来の結像系では、対象物に近接するシンチレータ型検出器を用いて高解像度の画像を得ることができるが、シンチレータおよび電子素子の全体の厚みは、各検出器画素が、その画素に対応するＸ線のみを収集するのに十分薄くなければならない。この場合もより薄いシンチレータを使用する必要があり、最終的な感度が低下する場合がある。
【００７５】
しかしながら、本願において開示する実施形態では、空間分解能が、検出器の画素サイズではなく、マイクロビーム８８８−Ｍの寸法によって決まる。そのため、画素をより大きくすることができ、ひいては、より効率が高いより厚いシンチレータ材料を用いることができる。なぜなら、より大きな画素から発生したすべての光子は、所定のマイクロビームから発生したことがわかっているからである。
【００７６】
図１１は、シンチレータを用いるシステムの他の変形を示す。この変形において、シンシレータ２８０からの可視／ＵＶ光８９０は、可視／ＵＶ光学系３２０によって収集され、検出器２９０−ＳＩ上に結像される。可視／ＵＶ光学系は、シンチレータの画像をさらに拡大する光学部品を含み得る。リレー光学部品および拡大された画像を使用する場合、電子検出器は、高分解能センサ自体を含む必要はなく、たとえば各々が２４μｍ×２４μｍの正方形である１０２４×１０２４画素を有するより低コストの市販ＣＣＤ検出器または相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）センサアレイを使用することができる。
【００７７】
リレー光学部品を有するいくつかの実施形態ではより厚いシンチレータを用いて感度を高めることもできる。しかしながら、リレー光学部品を使用する場合、検出は、Ｘ線光学部品によって収集された視野に限定され、これは、場合によっては、わずか数百ミクロンのオーダである。より広い領域のデータを収集するには、数回の露光から得られた画像を「連結」するしかない。
【００７８】
図１２、図１３Ａおよび図１３Ｂはさらに他の実施形態を示し、この実施形態において、開口２９２を有するマスキング構造２９７が、対象物２４０と検出器２９０−Ｍとの間に配置されている。この実施形態の場合、利用できるすべてのマイクロビーム８８８−Ｍが対象物２４０を照射するが、たとえば金（Ａｕ）からなるマスキング層２９７は、４ビーム当たり３ビームが検出器２９０−Ｍに入らないようにする。これにより、検出器２９０−Ｍはより大きな画素を有することができ、この場合も、ダイレクト検出器のコストを減じ、シンチレータを用いる実施形態の場合は、潜在的な検出器効率が増す。
【００７９】
図１４は、図１０、図１１Ａおよび図１１Ｂの実施形態の他の変形を示すが、Ｘ線の検出は、より厚いシンチレータ２８０−Ｓおよび可視／ＵＶ光検出器２９０−Ｓを用いることによって実現される。
【００８０】
図１５は、シンチレータを用いるシステムの他の変形を示し、シンシレータ２８０からの可視／ＵＶ光８９０は、可視／ＵＶ光学系３２０によって収集され、検出器２９０−ＳＩ上に結像される。
【００８１】
シンチレータ材料からなる層が従来の光画像センサのアレイに近接して配置されている（またはその上にコーティングされている）市販のフラットパネルデジタルＸ線センサは、たとえば、カリフォルニア州パロアルトのVarian社およびマサチューセッツ州ビレリカのGeneral Electric社によって製造される。画像センサのその他の構成は当業者にとって周知であろう。
【００８２】
図１０、図１１、図１４、および図１５に示すシンチレータは、シンチレータの均一層を含むものとして示されているが、シンチレータ材料が画素の一部分の上にのみ配置されているパターニングされたシンチレータ材料を使用する実施形態も用いることができる。シンチレータ材料を検出器の部分の上に選択的に配置することは、マスキング層を用いて検出のために特定のマイクロビームを選択することに代わるものとして使用することができる。
【００８３】
各画素内にさらに構造体を有する検出器を使用することもできる。たとえば、典型的な検出器画素は２．５ミクロン×２．５ミクロン（面積６．２５ミクロン２）であるがマイクロビームの直径がわずか１ミクロンである場合、シンチレータ材料の中心「スポット」が１ミクロンよりもわずかに大きくマイクロビームの位置に対応するように配置されている検出器画素を使用することができる。この構成により、マイクロビームからのＸ線すべてが検出されるはずであり、その一方で、そうでなければ検出器画素の領域全体を使用した場合にスプリアス信号を生じさせるであろう散乱または回折したＸ線の検出は減じられる。
【００８４】
同じく、いくつかの実施形態では、たとえば（シンチレータ材料等の）検出器構造体が画素の外側部分のみに配置され、小さな角度で散乱するＸ線のみを検出しまっすぐに透過したビームは検出しない画素を使用することもできる。
【００８５】
同様に、図１３および図１４のマスク２９７は、シンチレータ２８０からずれた状態で示されているが、いくつかの実施形態では、マスク２９７がシンチレータ２８０の上に直接配置されてもよい。パターニングされたシンチレータに関するその他の実施形態は当業者にとって周知であろう。
【００８６】
３．３検出器の変形
上記説明が開示する実施形態では、マスキング層を用いてマイクロビームのうちのいくつかをブロックすることにより、検出器の特定の部分をＸ線の検出に使用しないようにしている。構成によっては、同様のマスキング効果を、単純に特定の画素を非アクティブにするアレイ検出器を用い、非アクティブ画素からパワーを取り除くことによってこれらの画素が信号を生成しないようにすることにより、または、「非アクティブ」画素から生成された信号を無視または排除する解析ソフトウェアを用いることにより、得ることができる。これらの「非アクティブ」画素は、図３Ｃに示される画素２９１−Ａ間の空間と同じ働きをする。
【００８７】
これらの非アクティブ領域を、Ｘ線を透過する領域とすることにより、いくつかの実施形態において複数の検出器を使用できるようにしてもよい。このような実施形態において、各検出器は、選択された数のＸ線ビームのみを検出するように配置される。これは、所定の数のビームのみを検出しその他のビームは検出器を通過するように設計された画素を有する検出器を用いて実現することができる。
【００８８】
このような構成は図１６に示される。第１の検出器２９０−１は１本のマイクロビームに対応するすべての透過Ｘ線を検出する大きさの画素を有するアレイ検出器であり、透過領域は画素間の領域である。これらの透過領域に入射したマイクロビームは、その後、検出器２９０−１を通過し、これらの代替Ｘ線マイクロビームを検出するように並べられた画素を有する第２の検出器２９０−２に入射する。
【００８９】
いくつかの実施形態において、第１の検出器２９０−１は、その領域全体が高エネルギのＸ線に対する透過性を有していてもよく、第１の検出器２９０−１を用いてより低エネルギのＸ線を検出し、第２の検出器２９０−２を用いてより高エネルギのＸ線を検出する。このような構成は、第１の検出器においてアクティブにされる画素の数、および、第１の検出器を通過して検出されるかまたは第２の検出器を通過するマイクロビームの数に応じて、２、３、または４以上の検出器を含み得る。マスキング手法との比較におけるこの手法の利点は、各Ｘ線マイクロビームが最終的に検出され、収集された最終データセットに寄与できる点である。
【００９０】
４．０  顕微鏡技術によるデータ収集方法
ある実施形態に係るマイクロビームを用いて画像を形成するプロセスのステップを、図１７Ａおよび図１７Ｂに示し、以下で説明する。
【００９１】
第１のステップ４２１０において、マイクロビームのアレイによって対象物を検査する空間領域を決定する。この領域は、マイクロビームに関して先に述べた「焦点深度」によって囲まれた領域であってもよく、または、所与のタルボパターンのタルボ距離ＤＴの分数に関連する領域として画定してもよく、または、所望の測定に適した基準によって画定してもよい。
【００９２】
ステップ４２２０で、ピッチｐのマイクロビームのアレイを上記予め定められた領域に形成する。このようなマイクロビームは、Ｘ線結像系の使用、または、タルボ干渉現象の利用を含む、開示された方法のうちのいずれかによって形成することができる。いくつかの実施形態において、干渉フィールドがタルボ干渉パターンによって形成されるときなどは、この領域を、分数タルボ距離、たとえば１／８ＤＴまたは１／１６ＤＴに関連する長さを有する領域として画定することができる。
【００９３】
この領域の中のマイクロビームは、円形ビームまたは正方形もしくは矩形の輪郭を有するビームのアレイの形態の横方向パターンを有し得る。マイクロビームのアレイは通常単一方向に伝播し（通常「Ｚ」方向と呼ばれる）、伝播方向に対して直交する方向（「Ｘ」方向および「Ｙ」方向）のマイクロビーム間のピッチｐは、２０〜５０マイクロメートル以下である。
【００９４】
いくつかの実施形態では、このステップを用いて、先に述べたようにマイクロビームのうちのいくつかを取り除く追加のマスクを挿入してもよい。
【００９５】
マイクロビーム領域が確定する、次のステップ４２３０において、マイクロビームのピッチｐのゼロでない整数の倍数に等しい画素ピッチｐｄを有する検出器を配置する。この検出器は、上記検出器のうちのいずれかであればよい。検出器のこのセンサ部分は、前のステップで選択された領域に配置される。検出器の各画素が、（マイクロビーム間または検出器画素間のクロストークなしで）１本のマイクロビームのみに対応する信号を生成する限り、検出器の位置決めそのものにはある程度の柔軟性がある。一般的に、どのマイクロビームについても対応する１つの画素または一組の画素が存在するように、検出器が選択されるが、いくつかの実施形態では、検出器が対応するマイクロビームのサブセットのみを検出してもよい。
【００９６】
次のステップ４２４０で、検査対象物の対象領域(region of interest：ＲＯＩ）が、Ｘ線源と検出器の前面との間において、これもマイクロビームを含む選択領域に配置される。これは通常は検出器に近く、対象物および検出器はいずれもマイクロビームの「焦点深度」領域に含まれる。一般的に、対象物が位置決めおよび位置合わせされる一方で、Ｘ線ビームはブロックされるかまたはオフにされ、対象物が配置された後にＸ線がオフにされる。
【００９７】
次のステップ４２５０で、各マイクロビームにより透過したＸ線は、検出器上の対応する画素によって検出され、対応する電気信号が記録される。これらの信号は、カウント検出器においてＸ線強度を表すことができる、または、エネルギ分解検出器におけるエネルギを含むことができる。
【００９８】
次のステップ４２５６で、どのように進むかを決定する。１組のデータポイントのみが望ましい場合は、データをこれ以上収集する必要はないので、この方法は、図１７Ａおよび図１７Ｂにおいて「Ｂ」で示されるステップに進む。一方、さらにデータを収集して対象物の特性の１次元または２次元「マップ」を構築する必要がある場合、決定木（decision tree）は、他の位置からのデータを求める要求を出す。
【００９９】
次のステップ４２６０で、対象物およびマイクロビームの相対位置を、Ｘ次元および／またはＹ次元において予め定められた距離だけ変更し、この方法はステップ４２５０に戻り新たな位置のデータを収集する。このシステムは、検査のために指定された１次元または２次元領域全体のデータが収集されるまで、ステップ４２５０、４２５６、および４２６０からなる決定木を循環する。データが収集された時点で、この方法は、図１７Ａおよび図１７Ｂにおいて「Ｂ」で示されるステップに進む。
【０１００】
１組の２次元スキャンデータが収集されると、このシステムは、ステップ４２６６および４２７６において、２次元「マップ」のみを構築するか否か、または、ラミノグラフィーもしくはトモグラフィーに関連するアルゴリズムを用いて対象物の立体表現を生成するために追加情報が必要であるか否かを、判断する。
【０１０１】
これまでに取得した情報以外の情報が不要である場合、この方法は、最終解析ステップ４２９０に進む。１次元または２次元マップのためのデータが前のステップで得られていれば、蓄積したデータを、当該技術では広く知られている各種画像「連結」技術とともに用いて、対象物のＲＯＩのＸ線透過／吸収を表す１次元または２次元「マップ」を合成する。
【０１０２】
一方、３次元情報が所望される場合は、次のステップ４２７６において、どのように進むかを決定する。対象物の特性の３次元データセットを構築するために、なおも追加データを収集する必要がある場合、決定木は、追加の角度からのデータを求める要求を出す。
【０１０３】
この方法は、次にステップ４２８０に進み、Ｚ軸に対して予め定められた角度の軸を中心として予め定められた角度増分だけ対象物を回転させ、その後、この方法は、図１７Ａおよび図１７Ｂにおいて「Ａ」で示されるステップに進み、ステップ４２５０、４２５６、および４２６０からなるループに制御を戻してこの代替回転位置においてＸ線検出器から１組のデータを収集する。
【０１０４】
このシステムは、これらのステップ４２５０、４２５６、４２６０、さらに４２６６、４２７６、および４２８０を循環することにより、完全な１組のデータが収集されるまで、予めプログラムされた一連の位置および回転について、Ｘ線情報を収集する。この時点において、すべてのデータ収集が完了した後に、このシステムは、最終解析ステップ４２９０に進み、蓄積されたデータを取得し、この場合は、当該技術において広く知られている各種画像３次元解析技術を用いることにより、対象物のＲＯＩのＸ線透過／吸収の立体表現を合成する。
【０１０５】
上記方法の変形も実現できる。たとえば、先ず固定された回転位置でＸ次元およびＹ次元のデータ収集ループを実行してから回転設定を変更して追加データを収集するのではなく、Ｘ位置およびＹ位置設定を固定したままで対象物を回転させる実施形態を実行することもできる。Ｚ軸を中心とする対象物の回転は、画像のトモシンセシス（tomosynthesis）で使用できる追加情報も提供することができる。
【０１０６】
５．制限および拡張
本願では、発明者が意図するベストモードを含む本発明のいくつかの実施形態を開示している。特定の実施形態を示しているが、いくつかの実施形態についてのみ詳述した要素が他の実施形態に適用される場合もあることが理解されるであろう。また、先行技術に含まれるものとして説明した詳細事項および各種要素が本発明の各種実施形態に適用される場合もある。
【０１０７】
特定の材料、設計、構成、および製造ステップを記載することにより本発明および好ましい実施形態を説明してきたが、このような説明は限定を意図したものではない。当業者にとっては変形および変更が明らかであろう。本発明は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることを意図している。
【図１Ａ】
2019523871.tif 000009
【図１Ｂ】
2019523871.tif 000010
【図２】
2019523871.tif 000011
【図３Ａ】
2019523871.tif 000012
【図３Ｂ】
2019523871.tif 000013
【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
2019523871.tif 000016
【図６Ａ】
2019523871.tif 000017
【図６Ｂ】
2019523871.tif 000018
【図７】
2019523871.tif 000019
【図８】
2019523871.tif 000020
【図９Ａ】
2019523871.tif 000021
【図９Ｂ】
2019523871.tif 000022
【図１０】
2019523871.tif 000023
【図１１】
2019523871.tif 000024
【図１２】
2019523871.tif 000025
【図１３Ａ】
2019523871.tif 000026
【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
2019523871.tif 000029
【図１６】
2019523871.tif 000030
【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成31年2月1日(2019.2.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物をＸ線で検査する方法であって、
共通のＸ線源から伝播するＸ線マイクロビームの周期的アレイを作製するステップを含み、前記対象物において各Ｘ線マイクロビームは、前記Ｘ線マイクロビームがそれに沿って伝播する軸を有し、前記軸に沿うＸ線強度と、前記軸から垂直方向に測定した前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイの周期の２分の１に等しい距離におけるＸ線強度とのコントラストが、１０％よりも大きく、
複数の画素を含むＸ線画素アレイ検出器システムを、１本以下のＸ線マイクロビームに対応するＸ線を各画素が検出するように、位置決めするステップと、
前記対象物の一部を、前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイで照射するステップと、
前記対象物および前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイの相対位置を、前記Ｘ線マイクロビームのうちの１本のマイクロビームの軸に垂直である少なくとも１つの方向において、一回以上横方向変位させ、および／または、前記対象物および前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイの相対角度方位を、０．５度以上の角度ずつ、一回以上変更するステップと、
各横方向変位および／または前記相対角度方位の各変更後に、前記Ｘ線画素アレイ検出器システムが生成した信号を記録するステップと、
前記記録した信号を用いて画像を生成するステップとを含む、方法。
【請求項２】
前記Ｘ線画素アレイ検出器システムが生成した信号を記録するステップは、
前記対象物からのＸ線を、前記Ｘ線画素アレイ検出器システムの第１の検出器を用いて検出するステップと、
前記対象物からのＸ線が前記第１の検出器を透過するようにするステップと、
前記第１の検出器を透過したＸ線を、第２の検出器を用いて検出するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイは、タルボ干渉パターンを形成するタルボ干渉現象を通して作製され、
前記Ｘ線マイクロビームは、前記タルボ干渉パターンの強め合う干渉部分のアレイに対応する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記Ｘ線マイクロビームの予め定められたサブセットのみを透過させる周期的透過部分を有する吸収マスキング部品を位置決めするステップをさらに含み、
両方の横方向において前記透過部分の周期は、正の整数Ｎで乗算した前記タルボ干渉パターンの周期に等しく、
前記吸収マスキング部品を、Ｎ番目までのＸ線マイクロビームごとに前記透過部分が中心になるように整列させるステップを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記Ｘ線マイクロビームの予め定められたサブセットのみを透過させる透過部分を有する吸収マスキング部品を位置決めするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記透過部分の横方向寸法は、前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイの周期の４分の３未満である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
２つ以上の画素が、同一のＸ線マイクロビームに対応するＸ線を検出するように、前記Ｘ線画素アレイ検出器システムを位置決めするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記信号は、前記対象物を通る前記Ｘ線マイクロビームの透過率に対応する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記信号は、前記Ｘ線マイクロビームと前記対象物との相互作用現象に対応し、前記相互作用現象は、吸収、屈折、Ｘ線蛍光、および小角度散乱からなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記Ｘ線画素アレイ検出器システムは、Ｘ線を検出し前記Ｘ線に対応する信号を生成するように位置決めされた周期的Ｘ線アクティブ領域を有する第１のＸ線検出器を含み、前記周期的Ｘ線アクティブ領域は、信号を生成しないＸ線非アクティブ領域によって隔てられ、
前記周期的Ｘ線アクティブ領域の周期は、前記Ｘ線マイクロビームの予め定められたサブセットのみを検出するように構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記Ｘ線非アクティブ領域はＸ線を透過させ、
前記Ｘ線画素アレイ検出器システムは、前記第１のＸ線検出器を透過したＸ線を検出するように位置決めされた第２のＸ線検出器をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記対象物における前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイの周期は、５０マイクロメートル未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記対象物における前記軸に沿う各Ｘ線マイクロビームの長さは、１ミリメートルよりも長い、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記対象物および前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイの相対位置を横方向変位させるステップは、前記対象物を横方向変位させることによって実行され、前記画像を生成するステップは、２次元画像を生成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記対象物および前記Ｘ線マイクロビームの周期的アレイの相対角度方位を変更するステップは、前記対象物を回転させることによって実行され、前記画像を生成するステップは、３次元画像を生成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記コントラストは２０％よりも大きい、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記共通Ｘ線源は、Ｘ線生成マイクロ構造体のアレイを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
Ｘ線顕微鏡システムであって、
検査の対象物の少なくとも一部に当たるように構成されたＸ線ビームの周期的アレイのソースと、
前記検査の対象物の少なくとも一部を、前記Ｘ線ビームの周期的アレイに対して前記対象物を前記Ｘ線ビームのうちの１本のＸ線ビームの軸に垂直な少なくとも１つの方向において１回以上横方向変位させ、および／または、前記Ｘ線ビームの周期的アレイに対して前記対象物を０．５度以上の角度ずつ１回以上回転させることにより、位置決めするように構成された、マウントと、
前記Ｘ線ビームの周期的アレイと前記対象物との相互作用から発生したＸ線を検出するように位置決めされた複数の画素を含む少なくとも１つのＸ線画素アレイ検出器とを備え、前記少なくとも１つのＸ線画素アレイ検出器は、前記検出したＸ線に対応する少なくとも１つの信号を生成し、前記少なくとも１つのＸ線画素アレイ検出器は、前記複数の画素のうちのいずれか１つの画素によって検出されたＸ線が、前記Ｘ線ビームの周期的アレイの中の前記Ｘ線ビームのうちの少なくとも１つに対応するように、整列させたものであり、
各横方向変位および／または各回転後に前記少なくとも１つのＸ線画素アレイ検出器が生成した信号を記録し、前記記録した信号を用いて画像を生成するための、データ収集解析電子機器を備える、Ｘ線顕微鏡システム。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのＸ線画素アレイ検出器は、
画素と前記画素間のＸ線透過領域とを含む第１のＸ線画素アレイ検出器と、
前記第１のＸ線画素アレイ検出器の前記Ｘ線透過領域を透過したＸ線を検出するように構成された第２のＸ線画素アレイ検出器とを含む、請求項１８に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項２０】
前記ソースは、前記Ｘ線の帯域幅を制限するように構成された少なくとも１つのＸ線フィルタをさらに含む、請求項１８に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項２１】
前記少なくとも１つのＸ線フィルタは、平均エネルギＥ０と、Ｅ０±１５％以内のエネルギ帯域幅とを有するＸ線スペクトルを生成する、請求項２０に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項２２】
前記ソースは、タルボ干渉パターンを生成する格子構造を含み、
前記Ｘ線ビームの周期的アレイは、前記タルボ干渉パターンのＸ線アンチノードに対応し、前記タルボアンチノードと近隣のタルボノードとの間のコントラストが１０％よりも大きい、請求項１８に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項２３】
前記検査の対象物および前記Ｘ線画素アレイ検出器の前記画素は、いずれも、前記タルボ干渉パターンの焦点深度以内に位置決めされる、請求項２２に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項２４】
前記マウントは、直交する２つの方向において前記対象物を移動させるように構成される、請求項２２に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項２５】
タルボ干渉パターンを生成するための前記格子構造は、吸収格子、π／２位相シフト格子、位相シフト格子、格子構造の１次元アレイ、格子構造の２次元アレイ、グリッド構造、および、チェッカー盤位相格子構造のうちの１つ以上を含む、請求項２２に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項２６】
前記格子構造の寸法は、前記タルボ干渉パターンの周期が５０マイクロメートル未満になるように選択される、請求項２２に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項２７】
予め定められた数の前記Ｘ線ビームをブロックするように位置決めされたマスクをさらに備える、請求項１８に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項２８】
前記Ｘ線画素アレイ検出器は、エネルギ分解画素アレイ検出器である、請求項１８に記載のＸ線顕微鏡システム。
【請求項２９】
前記ソースは、
真空チャンバと、
電子ビームのエミッタと、
電子ターゲットとを含み、
前記電子ターゲットは、
第１の材料を含む基板と、
前記基板に埋め込まれた、電子衝撃に応じてＸ線を生成するように構成された第２の材料を含む、少なくとも複数の離散構造体とを含む、請求項１８に記載のＸ線顕微鏡システム。
【国際調査報告】
2019523871.tif 000033